法泰电器一体式智能重合闸产品技术性解析

本帖最后由 foretechjs 于 2013-7-30 13:13 编辑 法泰电器一体式智能重合闸产品技术性解析王登权，林新华，曹兵兵(法泰电器（江苏）股份有限公司)摘要：针对传统的多极热磁式重合闸，体积大、分断能力低、功能少、精度低、不可通信等不可靠因素，设计了体积小、高分断、高可靠性的并带RS485通信的一体式智能型重合闸装置，并给出了硬件设计和软件编程，以及适用于多种通信协议的新方法、新设计、新思路，试验结果证明了产品设计方案的质量可靠、性能稳定、检测精度高、可满足不同环境的城网和农网项目建设与改造的实际要求。关键词：一体机、智能重合闸、断路器Foretech integrated intellingent recloser producttechnical analysisWangdengquan,Linxinhua,Caobingbing（Foretech (Jiangsu)Limited by Share Ltd）Abstract:The extreme heat magnetic reclosing traditional, largevolume, breaking capacity is low, less functional, low precision, nocommunication unreliable factors, an integrated intelligent recloser and RS485communication design of small size, high breaking capacity, high reliability,and gives the hardware design and the software programming, and a new method,used in a variety of communication protocol of the new design, new ideas, testresults show that the design of reliable quality, stable performance, high detectionprecision, which can satisfy different environment of urban and rural powergrids project construction and transformation of the actual requirements.Key words: one machine, intelligentrecloser, circuit breaker一．引言随着国民经济的不断发展，国民生活水平得到不断的进步，同时各种大功率家用电器产品也走进千家万户，这直接导致在国民生活用电量上迅速增加，从而就对供电的电网设备要求更高。我国农村电网虽然已经过了56年的发展历史，取得了巨大的成就，也积累了很多丰富的经验，但是农村电网也存在电网结构薄弱、电能质量低、电网设备及电器陈旧等因素，导致用电安全性可靠性差、农村电网自动化管理水平低等突出问题。至从推行第二次农网改造以来，对农村低压电网改造规划和设计的技术需要符合国家电网颁布的《农村电网建设与改造技术原则》。农村电网的规划原则上包括总体要求、电压等级的确定、接线方式、供电可靠性的要求、点线配置、10kV配电线路工程、低压配电电器和设备、无功补偿、低压计量装置等，这些技术原则根据各地区电网建设项目、建设规划、负荷密度等实际情况不同来确定。根据农村电网目前所述情况以及《农村电网建设与改造技术原则》，低压电器行业的产品也成出不同。由于农村用电的分散，而且我国南方农村大部分分布在山区，用电环境潮湿、架线复杂等因素，农村用电配电属于末端级配电，需要考虑用电安全可靠性，农网改造对设备元器件产品在保护功能上要求有过载保护、短路保护、漏电保护、接地故障保护等基本保护功能；考虑到供配电系统线路上的损耗和保证供配电的稳定性、可靠性、安全性，同时要求有欠电压、过电压、相不平衡保护等辅助功能；同时随着计算机控制技术和网络技术的高速发展，也为了对各级分散变电站无人值班进行集中控制管理、减少人员维护成本、保证供配电可靠性即时性，这为智能重合闸断路器产品提高了应用的空间。为此，法泰电器（江苏）股份有限公司开发了一款全新的具有RS485总线可通信的一体式智能型重合闸装置，产品已经通过国家强制认证并已批量投产。二．基本功能1.智能重合闸断路器跳闸后延时20S~60S自动重新合闸一次。如果在开关重合闸后的闭锁时间（20s~1h可调）内再次发生剩余漏电电流故障时，则开关进入闭锁状态，不再重合闸。闭锁后需要排除漏电故障后，按“返回”键清除锁定状态，按合闸键合闸。2.具有漏电、过载、短路、过压、欠压、失压断电、缺相等多种保护功能，并实时在线检测电流、电压、漏电电流，用双数码管LCD或液晶屏来显示。3.故障查询功能，用数码管LCD或液晶屏显示工作类别，并可实现查询历史故障记录功能，可以储存20条历史故障，便于故障排除和记录。4.具有通信功能，可以通过RS485总线与上位机通讯，实现远程检测与调控。三．实现功能的结构特点近几年重合闸产品在城乡农网改造中得到了普及，法泰电器已成功研发FTM2LZC系列带自动重合闸剩余电流保护断路器，该系列产品优选的多连杆组合操作机构和齿轮齿条机构、功能控制线路板和脱扣执行机构等部分组成，将一次线路与二次线路完全隔离，确保了对二次线路的保护。同时本体结构采用SA机构，集智能断路器功能、漏电断路器功能、自动重合闸功能于一体，具有体积小、高分断、功能多、高可靠性等特点。为了用户操作简便，手柄操作结构上采用了离合机构，减轻了分合闸产品的操作力，同时为了用户实际操作，产品面板显示采用双数码管和液晶屏显示方式，即显示线路的实时电压、实时电流以及实时剩余电流。双数码管显示：一组显示三相实时电压和北京时间，另一组显示三相实时电流、实时剩余电流以及相关保护参数的显示；液晶屏显示中文界面所含功能，界面清晰、直观、操作简单，彰显人性设计。四．电子控制器的设计要点1.两套电源系统电子控制器的供电分为变压器供电和电流互感器自生电两个相对独立的部分，见图一。因为考虑到系统缺相等严酷条件下控制器依然能正常工作，因此采用3个变压器给系统供电，当其中任意2只变压器不能为系统正常供电时，只要剩余的那只还可以正常输出，则能够保证控制器对负载的正常保护功能；因为在负载发生短路等严重故障时，变压器的输出电压可能会很低，考虑到异常严酷的情形，为确保控制器对负载的过载、短路故障提供可靠保护，需要考虑从电流互感器来获得电源提供给控制器工作。变压器和自生电系统的输出V2经过变换后可转换成为控制器电路需要的适当电压。2．三相电流的采样负载的三相电流经过电流互感器变换后，在电阻R1、R2、R3上就会有一个电压降，如图一，这些电压信号经过调理电路处理后就可以直接由单片机的AD采样，计算后就可以得到各相的实际电流大小。单片机根据存储器中存储的参数配置，可以对负载进行三段电流保护（长延时、短路短延时、瞬时）。3.三相电压的采样因为A、B、C三相电压的额定值为AC230V，因此需要对此电压信号进行隔离、变换，所以实际应用中采用了电流型电压互感器，如图二，以A相电压采样为例，电阻R10、R11为限流电阻，确保互感器VT1初级在AC300V时不过流，VT1在这里起到高低压隔离，信号变换的作用，R16为信号取样电阻，变换后的电压信号以DC2.5V为基准，经过运放的电压跟随后给单片机AD输入口。A、B、C三相电压采样电路不仅可以根据采样得到的电压大小对负载进行过压、欠压保护，还可以获得A、B、C三相电压的相位角数据，对负载进行缺相、断零保护，结合A、B、C三相电流大小，可实现三相负载不平衡保护。图二 A相电压采样电路4.剩余电流采样电路因为剩余电流互感器在其检测范围内，输出的信号为mV级别，而控制器对剩余电流要求保护的范围很宽（最大可以1000mA），因此为了采样得到的剩余电流数据比较精确，信号处理电路采用高倍、低倍放大结合的方式。同时由于信号在0点附近的精度不高，因此把输入信号抬高2.5V，也可以提高剩余电流采样的精度。该剩余电流采样电路的原理图可参见图三。五.基本组网通信接口RS485控制器具有基本的组网通信功能是当前智能型控制器的一个发展趋势，考虑到与其他设备共通（行业现状）及软件编写便利等因素，控制器的接口初步采用RS485，通信协议除了满足最基本的Modbus/RTU之外，也可以满足电力电表接口协议或者根据客户要求定制。考虑到外接通信线路出现故障的不确定性，RS485接口采用带隔离功能的高速通信芯片，接口通信所需的隔离电源由控制器DC/DC模块提供，差分通信线路对地挂接TVS瞬态电压抑制二极管，阻抗匹配电阻R33一般不接，只有当控制器位于通信线路末端时才考虑。通信接口原理图见图四。六．结语利用计算机控制技术和网络通讯技术重组到智能断路器产品上，使其成为一体式智能重合闸装置，克服了传统的多极热磁式重合闸，体积大、分断能力低、功能少、精度低、不可通信等弊端。产品具有智能化、网络化、自动化、人性化等特点，可大大提高了电网系统的控制能力、可靠性、经济性、灵活性。经过试验结果证明了产品设计方案的质量可靠、性能稳定、检测精度高、可满足不同环境的城网和农网项目建设与改造的实际要求。参考文献曹志刚，钱亚生.现代通信原理.北京：清华大学出版社，1992.董超，宋政湘，陈德桂.基于双CPU的高精度电能质量监测仪.低压电器，2004（3）.刘和平，PIC18FXXX单片机原理及接口程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，2004.GB6829,剩余电流动作保护器的一般要求.GB14048.2-2008,低压开关设备和控制设备 第二部分：断路器.黎煦华，农网改造中的农村低压电网规划与设计，2005.刘健，周方友，刘东旗，郁胜利.农村低压电网智能化改造探讨，2011.